Señales de CA de Frecuencia Mixta: Acoplamiento, Armónicos e Ideas Prácticas

En nuestro estudio de circuitos de CA, hemos examinado circuitos alimentados por una forma de onda de voltaje senoidal de una sola frecuencia. En muchas aplicaciones reales, sin embargo, las señales de una sola frecuencia son la excepción más que la regla.

A menudo, los circuitos contienen múltiples componentes de frecuencia simultáneamente, y las formas de onda pueden desviarse de una forma seno pura —lo que llamamos formas de onda no sinusoidales. Además, la CC puede superponerse a la CA, produciendo señales que varían en magnitud pero no en polaridad, o que pasan tiempo desigual en mitades positivas versus negativas.

Como la CC no alterna, su frecuencia se considera cero. Cualquier señal que contenga componentes tanto de CC como de CA es, por tanto, una señal de frecuencia mixta, y tales señales son comunes en la práctica.

Cuando múltiples frecuencias coexisten en el mismo circuito, el análisis se vuelve más complejo que el caso simple de una sola frecuencia.

Acoplamiento

Los voltajes y corrientes de frecuencia mixta pueden surgir accidentalmente a través de acoplamiento eléctrico no intencional —típicamente causado por capacitancia o inductancia parásita entre conductores. Un ejemplo industrial frecuente ocurre cuando el cableado de señal CC corre cerca de cables de potencia CA. El alto voltaje y corriente CA pueden inducir voltajes o corrientes "extraños" en los conductores de señal.

La capacitancia parásita, formada por el aislamiento que separa conductores de potencia y señal, puede transferir voltaje relativo a tierra. La inductancia parásita, creada por tramos paralelos de alambre, puede inducir voltaje a lo largo de los conductores de señal a través de acoplamiento electromagnético.

El resultado es una mezcla de CC y CA en la carga de señal, como ilustra el esquema a continuación:

Inductancia y capacitancia parásitas acoplan CA extraña en señal CC deseada.

Cuando voltajes de CA parásitos de una fuente de ruido se mezclan con señales CC, el resultado es típicamente indeseable. Para evitar esto, el cableado de potencia y señal de bajo nivel deben rutearse a través de conductos metálicos dedicados separados, y las señales deben viajar vía cable de par trenzado blindado en lugar de un solo alambre con referencia a tierra:

Par trenzado blindado minimiza ruido.

El blindaje —ya sea una malla o lámina envuelta alrededor de los dos conductores aislados— bloquea campos eléctricos externos, previniendo acoplamiento capacitivo. La proximidad de los dos conductores cancela el acoplamiento inductivo: cualquier voltaje de ruido inducido es casi igual en magnitud y opuesto en fase en ambos conductores, resultando en un voltaje de ruido diferencial casi cero.

Marcadores de polaridad cerca de segmentos inductivos ilustran cómo los voltajes inducidos cambian de fase para cancelarse entre sí.

El acoplamiento también puede ocurrir entre dos conjuntos de conductores de CA, llevando a mezcla mutua de sus señales:

Acoplamiento de señales CA entre conductores paralelos.

En la mayoría de casos, tal acoplamiento es accidental y no deseado. No obstante, las señales de frecuencia mixta se generan intencionalmente en muchas aplicaciones, y también son inherentes a ciertas fuentes de señal.

Una forma simple de crear una fuente de frecuencia mixta es conectar fuentes de voltaje en serie, como se muestra a continuación:

Conexión en serie de fuentes de voltaje mezcla señales.

Los sistemas de redes informáticas a veces superponen datos de alta frecuencia sobre conductores de línea de potencia de 60 Hz para transmitir información sobre cableado existente. Las redes de distribución de energía han empleado esta técnica por décadas para transmitir datos de carga a lo largo de líneas de alto voltaje.

Dispositivos de fuente única también pueden producir frecuencias mixtas. Por ejemplo, los micrófonos convierten ondas de presión de audio en formas de onda de voltaje. Un tono puro produce una sola onda seno, mientras que sonidos complejos generan una rica mezcla de frecuencias que refleja el contenido acústico subyacente.

Frecuencias Fundamentales y Armónicas

Los acordes musicales surgen de mezclar una frecuencia fundamental con armónicos que son múltiplos enteros de esa fundamental. Incluso una sola nota de piano contiene un tono fundamental dominante más una serie de armónicos de mayor frecuencia.

A continuación se muestra una tabla ilustrando estos términos con una fundamental hipotética de 1000 Hz:

Sobretono

El término sobretono se refiere a una frecuencia armónica producida por un instrumento particular. El primer sobretono es el primer armónico por encima de la fundamental; para una serie armónica completa el segundo sobretono es el tercer armónico, y así sucesivamente. Sin embargo, no todos los instrumentos generan cada armónico. Por ejemplo, un tubo abierto en un extremo y cerrado en el otro —como una botella— no puede producir armónicos pares. Una fundamental de 1000 Hz de tal instrumento produciría 3000, 5000, 7000 Hz, pero ningún componente de 2000, 4000 o 6000 Hz.

Una onda seno pura carece de armónicos y por eso suena plana y sin carácter. El timbre distintivo, o color, de un instrumento musical viene de la mezcla única de amplitudes de su fundamental y armónicos. Instrumentos de viento metal, madera y cuerda cada uno tienen firmas armónicas características que definen su tono.

Instrumentos que vibran superficies bidimensionales, como tambores de acero o ciertas campanas, generan un espectro más amplio de frecuencias no limitadas a múltiplos enteros de la fundamental, produciendo tonos que algunos oyentes encuentran acústicamente ricos o incluso disonantes.

La música ofrece terreno fértil para estudiar frecuencias mixtas y sus efectos perceptuales. Secciones subsiguientes de este capítulo profundizarán en el uso de instrumentos musicales como fuentes de forma de onda para análisis.

Repaso

• Una forma de onda sinusoidal tiene la forma exacta de una onda seno.
• Una forma de onda no sinusoidal puede ser una seno distorsionada o cualquier otra forma, como una onda cuadrada.
• Las formas de onda de frecuencia mixta pueden surgir accidentalmente, intencionalmente o como consecuencia natural. La mayoría de tonos musicales son mezclas ricas de múltiples frecuencias.
• Cuando múltiples ondas senoidales se mezclan, la frecuencia más baja es la fundamental, y sus contrapartes múltiplos enteros son los armónicos.
• Un sobretono es un armónico producido por un instrumento específico; el primer sobretono es la primera frecuencia por encima de la fundamental, pero la secuencia depende de qué armónicos el instrumento puede generar.

Hojas de Trabajo Relacionadas

• Hoja de trabajo de señales de frecuencia mixta
• Hoja de trabajo de inductancia mutua